高频电子线路(第四版)第7章 正弦波振荡器.ppt
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1、高高频频电电路路1.1.定义定义高功放高功放不需外加激励,自身将直流电能转换为交流电能。不需外加激励,自身将直流电能转换为交流电能。2.2.振荡器的分类振荡器的分类正弦波振荡器正弦波振荡器非正弦波振荡器非正弦波振荡器振荡器振荡器波形波形产生机理产生机理反馈式振荡器反馈式振荡器负阻式振荡器负阻式振荡器反馈型反馈型LC振荡器振荡器反馈型反馈型RC振荡器振荡器 本章主要介绍反馈型本章主要介绍反馈型RC、LCLC振荡器和石英晶体振荡器振荡器和石英晶体振荡器的工作原理。的工作原理。石英晶体振荡器石英晶体振荡器End由于大多数振荡器都是利用由于大多数振荡器都是利用由于大多数振荡器都是利用由于大多数振荡器都
2、是利用LCLC回路来产生振荡的,因此回路来产生振荡的,因此回路来产生振荡的,因此回路来产生振荡的,因此应首先研究应首先研究应首先研究应首先研究LCLC回路中如何可以产生振荡,作为研究振荡器工回路中如何可以产生振荡,作为研究振荡器工回路中如何可以产生振荡,作为研究振荡器工回路中如何可以产生振荡,作为研究振荡器工作原理的预备知识。作原理的预备知识。作原理的预备知识。作原理的预备知识。图图图图 7.2.1 7.2.1 LCRLCR自由振荡电路自由振荡电路自由振荡电路自由振荡电路 所谓所谓“谐振谐振”,就能量关系而,就能量关系而言,是指:回路中储存的能量是不言,是指:回路中储存的能量是不变的,只是在电
3、感与电容之间相互变的,只是在电感与电容之间相互转换;外加电动势只提供回路电阻转换;外加电动势只提供回路电阻所消耗的能量,以维持回路的等幅所消耗的能量,以维持回路的等幅振荡。振荡。1)一套振荡回路一套振荡回路,包含两个(或两个以上)储能元件。在这,包含两个(或两个以上)储能元件。在这两个元件中,当一个释放能量时,另一个就接收能量。释放与两个元件中,当一个释放能量时,另一个就接收能量。释放与接收能量可以往返进行,其频率决定于元件的数值。接收能量可以往返进行,其频率决定于元件的数值。2)一个能量来源一个能量来源,补充由振荡回路电阻所产生的能量损失。,补充由振荡回路电阻所产生的能量损失。在晶体管振荡器
4、中,这个能源就是直流电源。在晶体管振荡器中,这个能源就是直流电源。3)一个控制设备一个控制设备,可以使电源功率在正确的时刻补充电路的,可以使电源功率在正确的时刻补充电路的能量损失,以维持等幅振荡。这是由有源器件和正反馈电路完能量损失,以维持等幅振荡。这是由有源器件和正反馈电路完成的。成的。利用正反馈方法来获得等幅的正弦振荡利用正反馈方法来获得等幅的正弦振荡,这这就是反馈振荡器的基本原理。就是反馈振荡器的基本原理。反馈振荡器是由反馈振荡器是由主网络主网络和和反馈网络反馈网络组成的一个闭合环路。组成的一个闭合环路。其其主主网络一般由放大器和选频网络组成网络一般由放大器和选频网络组成,反馈网络反馈网
5、络一般由无源器件组成一般由无源器件组成。放大器放大器a.晶体三极管晶体三极管b.场效应管场效应管c.差分放大器差分放大器d.运算放大器运算放大器选频网络选频网络a.LC并联谐振回路并联谐振回路b.RC选频网络选频网络c.晶体滤波器等晶体滤波器等反馈网络反馈网络a.电容分压电容分压b.电感分压电感分压c.变压器耦合变压器耦合d.电阻分压电阻分压振荡器组成振荡器组成7.5.1 振荡器的平衡条件振荡器的平衡条件7.5.2 振荡器平衡状态的稳定条件振荡器平衡状态的稳定条件#振振荡荡电电路路是是单单口口网网络络,无无须须输输入入信信号号就就能能起起振振,起起振振的的信信号源来自何处?号源来自何处?接通电
6、源瞬间引起的电压、电流突变,电路器件内部噪声等。接通电源瞬间引起的电压、电流突变,电路器件内部噪声等。初初始始信信号号中中,满满足足相相位位平平衡衡条条件件的的某某一一频频率率 0的的信信号号应应该该被保留,成为等幅振荡输出信号。被保留,成为等幅振荡输出信号。(从无到有)(从无到有)然然而而,一一般般初初始始信信号号很很微微弱弱,很很容容易易被被干干扰扰信信号号淹淹没没,不不能形成一定幅度的输出信号。因此,起振阶段要求能形成一定幅度的输出信号。因此,起振阶段要求(由弱到强)(由弱到强)起振条件起振条件End 当输出信号幅值增加到一定程度时,就要限制它继续增加。当输出信号幅值增加到一定程度时,就
7、要限制它继续增加。稳稳幅幅的的作作用用就就是是,当当输输出出信信号号幅幅值值增增加加到到一一定定程程度度时时,使振幅平衡条件使振幅平衡条件从从 AF1 到到AF=1。(由增到稳)(由增到稳)当反馈信号等于放大器的输入信号时,振荡电路的输出当反馈信号等于放大器的输入信号时,振荡电路的输出电压不再发生变化,电路达到电压不再发生变化,电路达到平衡状态平衡状态。振荡的平衡条件包括振幅平衡条件和相位平衡条件振荡的平衡条件包括振幅平衡条件和相位平衡条件用电路参数表示用电路参数表示:其中其中:以上分析了保证振荡器由弱到强地建立起振荡的以上分析了保证振荡器由弱到强地建立起振荡的起振条件;保证振荡器进入平衡状态
8、、产生等幅振荡起振条件;保证振荡器进入平衡状态、产生等幅振荡的的平衡条件平衡条件。实际上,平衡状态下的振荡器仍然受到外界因素实际上,平衡状态下的振荡器仍然受到外界因素变化的影响而可能引起幅度和频率不稳。因此,还应变化的影响而可能引起幅度和频率不稳。因此,还应该分析保证振荡器的平衡状态不因外界因素变化而受该分析保证振荡器的平衡状态不因外界因素变化而受到破坏的到破坏的稳定条件稳定条件。稳定条件也分为稳定条件也分为振幅稳定振幅稳定与与相位稳定相位稳定两种。以两种。以下分别讨论之。下分别讨论之。1 1)振幅平衡的稳定条件)振幅平衡的稳定条件 要保证外界因素变化时振幅相对稳定,就是要:当振幅变要保证外界
9、因素变化时振幅相对稳定,就是要:当振幅变化时,化时,AF的大小朝反方向变化。的大小朝反方向变化。图图图图 7.5.2 7.5.2 软自激的振荡特性软自激的振荡特性软自激的振荡特性软自激的振荡特性图图图图 7.5.3 7.5.3 硬自激的振荡特性硬自激的振荡特性硬自激的振荡特性硬自激的振荡特性2 2)相位平衡的稳定条件)相位平衡的稳定条件 相位稳定条件是指相位平衡条件遭到破坏时,相位平衡能重相位稳定条件是指相位平衡条件遭到破坏时,相位平衡能重新建立,且仍能保持相对稳定的振荡频率。新建立,且仍能保持相对稳定的振荡频率。相位平衡点上相位平衡点上 与与 同相同相 由此可得相位稳定条件为由此可得相位稳定
10、条件为 则相位稳定条件为则相位稳定条件为 保证相位的稳定必须有一个相频特性斜率为保证相位的稳定必须有一个相频特性斜率为负负的网络。的网络。而而图图图图 7.5.4 7.5.4 并联谐振回路的并联谐振回路的并联谐振回路的并联谐振回路的相频特性相频特性相频特性相频特性2 2)相位平衡的稳定条件)相位平衡的稳定条件7.6.1 互感耦合振荡器互感耦合振荡器7.6.2 电感反馈式三端振荡器电感反馈式三端振荡器 (哈特莱振荡器哈特莱振荡器)7.6.3 电容反馈式三端振荡器电容反馈式三端振荡器 (考毕兹振荡器考毕兹振荡器)7.6.4 LC三端式振荡器相位平衡条件三端式振荡器相位平衡条件的判断准则的判断准则
11、放大器与振荡器本质上都是将直流电能转化为交放大器与振荡器本质上都是将直流电能转化为交流电能,流电能,不同之处在于不同之处在于:放大器需要外加控制信号而:放大器需要外加控制信号而振荡器不需要。因此,如果将放大器的输出正反回输振荡器不需要。因此,如果将放大器的输出正反回输入端,以提供控制能量转换的信号,就可能形成振荡入端,以提供控制能量转换的信号,就可能形成振荡器。器。如如果果由由LCLC谐谐振振回回路路通通过过互互感感耦耦合合将将输输出出信信号号送送回输入回路,所形成的是回输入回路,所形成的是互感耦合振荡器互感耦合振荡器。由由互互感感耦耦合合同同名名端端定定义义可可判判知知,反反馈馈网网络络形形
12、成成正正反反馈馈,满满足足相相位位平平衡衡条条件件。如如果果再再满满足足起起振振条条件件,就符合基本原理。就符合基本原理。射基射基(集集)同名同名三极管,三极管,LCLC谐振回路谐振回路变压器变压器 如果正反馈网络由如果正反馈网络由LCLC谐振回路中的谐振回路中的电感分压电路电感分压电路将输出信号将输出信号送回输入回路,所形成的是电感反馈式三端振荡器。送回输入回路,所形成的是电感反馈式三端振荡器。图图图图 7.6.2 7.6.2 电感反馈式三端振荡器电感反馈式三端振荡器电感反馈式三端振荡器电感反馈式三端振荡器(+)(-)(+)(+)L1L2C电路的特点电路的特点:4容易起振容易起振变电容而不影
13、响变电容而不影响F。4调整频率方便调整频率方便4振荡波形不够好振荡波形不够好高次谐波反馈较强,高次谐波反馈较强,波形失真较大。波形失真较大。4不适于很高频率工作不适于很高频率工作分布电容和极间电容并联于分布电容和极间电容并联于L1与与L2两端,两端,F随频率变化而改变。随频率变化而改变。L1L2CEnd图图图图 7.6.3 7.6.3 电容反馈式三端振荡器电容反馈式三端振荡器电容反馈式三端振荡器电容反馈式三端振荡器(+)(-)(+)(+)如果正反馈网络由如果正反馈网络由LCLC谐振回路中的谐振回路中的电容分压电路电容分压电路将输出信将输出信号送回输入回路,所形成的是电容反馈式三端振荡器。号送回
14、输入回路,所形成的是电容反馈式三端振荡器。C1C2LC1C2L电路的特点电路的特点:End变电容影响变电容影响F,变电感不便。,变电感不便。4调整频率不太方便调整频率不太方便4输出波形较好输出波形较好高次谐波反馈较弱,高次谐波反馈较弱,波形接近正弦波。波形接近正弦波。4频率稳定度较好频率稳定度较好分布电容和极间电容并联于分布电容和极间电容并联于C1与与C2两端,被较大两端,被较大C1与与C2 吸收。吸收。4适用于较高的工作频率适用于较高的工作频率甚至可只利用器件的输入电容甚至可只利用器件的输入电容和输出电容做回路电容。和输出电容做回路电容。克拉泼(Clapp)振荡器西勒(Seiler)振荡器电
15、容三点式与电感三点式电容三点式与电感三点式振荡器比较振荡器比较电容三点式振荡器输出波形好,工作频率电容三点式振荡器输出波形好,工作频率比较高比较高 缺点是调整困难,起振困难缺点是调整困难,起振困难电感三点式振荡器起振容易,调整方便电感三点式振荡器起振容易,调整方便 缺点是输出波形不好缺点是输出波形不好射同基(集)反射同基(集)反 在三点式电路中在三点式电路中,回路中与发射回路中与发射极相连接的两个电抗元件必须为同性质极相连接的两个电抗元件必须为同性质,另另外一个电抗元件必须为异性质。外一个电抗元件必须为异性质。这就是三点这就是三点式电路组成的相位判据式电路组成的相位判据,或称为或称为三点式电路
16、三点式电路的组成法则。的组成法则。与发射极相连接的两个电抗元件同为电与发射极相连接的两个电抗元件同为电容时的三点式电路容时的三点式电路,称为称为电容三点式电路电容三点式电路,也称为考毕兹也称为考毕兹(Colpitts)(Colpitts)电路。电路。与发射极相连接的两个电抗元件同为电与发射极相连接的两个电抗元件同为电感时的三点式电路感时的三点式电路,称为称为电感三点式电路电感三点式电路,也称为哈特莱也称为哈特莱(Hartley)(Hartley)电路。电路。End举例举例:振振荡荡器器的的振振荡荡频频率率应应低低于于L1和和C1支支路路的的串串联联谐谐振振频频率率,此此时,该支路呈容性,整个回
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